CN101667874B - 部分协作频谱感知的方法和系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种部分协作频谱感知方法和系统，所述方法包括步骤：认知簇中具有感知功能的感知节点执行频谱感知，并上传频谱感知结果和状态信息给簇头节点；簇头节点从感知节点中选择部分感知节点并告知所选感知节点再次执行频谱感知；所选感知节点再次执行频谱感知，并向簇头节点上传感知结果；以及簇头节点利用所选感知节点上传的感知结果得到频谱判决信息。采用本发明，能够减少参与感知的节点设备数，有效减少了消息交互和用于感知的设备功耗，采用了动态的认知网络架构，简化了用于频谱感知的信令。

Description

部分协作频谱感知的方法和系统

技术领域

本发明涉及认知无线电技术领域，具体涉及认知无线电系统中的协作式频谱感知方法和系统。

背景技术

认知无线电是为了解决未来无线通信中可用频谱资源紧缺、传统固定频谱分配机制利用率不高而提出的一种频谱共享技术，认知无线电通过对周围无线环境进行频谱感知，并基于频谱感知的结果选择合适的空闲工作频段，调整无线传输参数，即避免了对该频段上有使用许可用户系统的干扰，又保证了认知设备的传输。认知无线电中一个关键技术和实现的前提就是如何保证准确而快速的进行频谱感知。

在认知无线电系统中，常见的单节点频谱感知方法包括能量检测、匹配滤波器、循环平稳特征检测等，这些感知方法都存在着不足。例如，能量检测器虽然实现比较简单，但是容易受到信道和噪声不确定性的影响。在单节点频谱感知的基础上采用协作办法，提出了协作频谱感知的方法，即利用(例如，融合)多个认知设备的频谱感知结果，做出总的判决，从而能降低由于无线信道衰落或阴影对感知性能的影响。

另一方面，在协作频谱感知中，多个认知设备协同工作会带来很多问题，如何协调彼此的工作，如何在减少实现复杂度的同时提高频谱感知的性能，这些都是需要解决的关键问题。

具体而言，在协作频谱感知方面，现有技术中需要解决的问题主要如下：

(1)传统的协作认知网络是固定的，由于认知设备的移动性以及空闲频谱资源在空间上的分布不均，传统的协作认知网络会出现很多问题，例如在不同区域内的可用空闲频谱资源并不一致，如果都使用统一的频谱信息会导致在某些局部区域对频谱许可系统的干扰。

(2)在传统的协作频谱感知中，所有的节点各自独立地在静默期进行感知，并把感知结果上传给中央控制节点来做出总的频谱资源判决，从而造成在认知网络内过多的消息交互；此外，由于某些无线信道状况较差的用户的存在，导致最终的(例如，融合后的)感知结果出现错误。因此，并不是参与协作的用户越多，最终的感知性能越好。

此外，在IEEE802.22标准草案D1.0中没有给出协作频谱感知具体的方法。目前，提出了各种改进的协作频谱感知的方法，但是大多都集中在如何处理和利用感知数据的方面，例如，如何把各个设备感知到的信息通过某种算法进行融合处理，而在如何减少参与协作的感知设备的数量从而减少能耗和消息的交互这一方面，却很少涉及。

鉴于上述传统的协作频谱感知中存在的问题，需要一种能够减少参与协作的感知设备的数量从而减少能耗和消息的交互并保证感知性能的协作频谱感知技术。

发明内容

本发明的目的是提供一种部分协作频谱感知方法和系统，其中选择少数节点设备参与到协作感知中，保证部分协作的感知性能不低于传统的协作感知性能，由于参与感知的节点设备数较少，从而有效的减少了消息交互和用于感知的设备功耗，此外由于采用了动态的认知网络架构，使得用于频谱感知的信令更加简单高效。

根据本发明，提供了一种部分协作频谱感知方法，包括以下步骤：

认知簇中具有感知功能的感知节点执行频谱感知，并上传频谱感知结果和状态信息给簇头节点；

簇头节点从感知节点中选择部分感知节点并告知所选感知节点再次执行频谱感知；

所选感知节点再次执行频谱感知，并向簇头节点上传感知结果；以及

簇头节点利用所选感知节点上传的感知结果得到频谱判决信息。

根据本发明，还提供了一种采用上述方法的部分协作频谱感知系统。

附图说明

图1示出了典型的认知无线电应用场景。

图2示出了典型的认知分簇网络的示意图。

图3示出了簇内超帧结构。

图4示出了根据本发明的部分协作频谱感知方法以及认知簇动态管理的流程图。

图5示出了逻辑与融合规则下本发明的部分协作频谱感知方法和传统协作频谱感知的感知性能仿真结果。

图6示出了逻辑或融合规则下本发明的部分协作频谱感知方法和传统协作频谱感知的感知性能仿真结果。

图7示出了多数融合规则下本发明的部分协作频谱感知方法和传统协作频谱感知的感知性能仿真结果。

具体实施方式

图1是一个典型的认知无线电应用场景，主系统发射端发送信号到主系统接收端，而作为次要网络的认知网络则伺机占用主系统网络的工作频段。为了减少次要网络对主系统网络的干扰，需要进行频谱感知来检测主系统网络是否正在占用某个频段。图1中，实线箭头表示作为选择的部分认知节点的多个设备上传其感知结果，虚线箭头表示作为认知网络的簇头节点的设备在利用部分认知节点的感知结果得到频谱判决信息之后把该信息广播给认知网络里的所有认知节点。

结合图1，图2示出了由认知设备组成认知分簇网络的示意图。

图2中的节点可以分为簇头节点和普通节点两种，图中簇头节点以实心圆表示，具有利用多个感知结果得到频谱判决信息并将该信息广播给其他认知节点的功能，普通节点(以下将普通节点简称为“节点”)。以空心圆表示，具有频谱感知的功能。簇头和普通节点可以包括多种类型的设备，例如移动电话、计算机等。

在认知分簇网络建立初始化的时候，某个设备首先执行一次频谱感知，在可用的频段上监听信标，如果有某个簇的信标信息，则加入到该簇中；否则从可用频段中选择一个合适的工作频段，并使自己成为簇头，在所选的工作频段内广播信标信息。

具有认知功能的节点选择的频谱感知方法是基于能量检测，而没有认知功能的节点可以通过监听信标消息中的可用信道列表消息达到认知的功能。

认知簇的建立和维护

在设备初始化时，该设备首先进行一次频谱感知，找到可用的空闲信道，根据一定的规则选择某个空闲信道作为工作信道，这里使用的规则可以是根据信道的干扰情况、信道的传播特性以及信道的连续可用性，其中信道的干扰越小，传播特性越好，分布越连续，则选择该信道的概率越大。然后，设备在该工作信道上监听信标，如果收到一个认知簇的信标，则加入该认知簇，如果没有接收到任何信标，则自己组织一个新的认知簇，该设备作为簇头节点，开始广播信标。

每隔一定数量的超帧，认知簇内的所有节点都进行一次独立的频谱感知，以确定自己是否还能使用目前的工作信道。如果某个节点目前的工作信道被主网络系统的用户占用，则该节点退出该簇，重新选择一个可用的空闲信道作为工作信道，并继续监听信标。如果收到另一个认知簇的信标，则该节点向该认知簇发出加入请求，并在得到允许后加入该认知簇。如果没有接收到任何信标，则自己组织一个新的认知簇，类似于上述初始化的过程，这里可以参考自组织ad hoc技术。

频谱感知节点的选择

簇头节点根据簇内每个节点的剩余能量、以及节点与主网络系统设备的信道状况等，选择所有节点中的一部分进行频谱感知。该选择可以建模成一个多属性决策问题，常见的解决方法包括模糊逻辑，排序加权算子等。节点的剩余能量越多，节点与主网络系统设备的信道状况越好，选择该节点进行频谱感知的概率越大。此外，选择的节点数目与所考虑的应用场景有关，如果应用场景更多考虑的是节能，那么选择的节点数目可以设置得较小，如果应用场景更关注检测性能，则可以选择较多的节点参与频谱感知。

下面参照图3和图4详细描述本发明部分协作频谱感知方法以及认知簇动态管理的实施例。

本发明中的超帧结构如图3所示，每个超帧由超帧前导和多个帧组成，在每个超帧前导(用于物理层同步)中包含有用于广播认知簇的信标(包含簇头节点的身份标识(以下简称ID)、选择的工作信道、以及下一个超帧内选择的执行频谱感知的节点ID)和同步信道(以下简称SCH)。多个帧具体分为感知帧、数据帧以及簇间交互期。每个超帧中包含一个感知帧，感知帧一般紧接在超帧前导之后，包含有一个感知期(也就是静默期)和一个感知数据期。在感知期内，在上一个超帧内选择的执行频谱感知的节点进行感知，而未被选择的节点不进行感知以及发射/接收数据。在随后的感知数据期内，执行了频谱感知的节点在分配的特定时隙中上传其感知结果，簇头节点收集感知结果并进行处理，在本实施例中是进行融合处理。数据帧的结构和IEEE802.22标准的数据帧格式类似，在上行映射(以下简称UL-MAP)和下行映射(以下简称DL-MAP)里映射着每个用户对应的上行突发(以下简称UL-Burst)和下行突发(以下简称DL-Burst)。簇间交互期一般在每个超帧的最后，用于在相邻的认知簇之间交互簇内信息，包括各自的工作信道、簇内节点等简单的信息，这样可以由不同的认知簇和网关节点组成一个网状网络。

图4示出了根据本发明的部分协作频谱感知方法以及认知簇动态管理的示例流程图，其中采用的上述超帧结构，并假设每隔m(m是自然数)个超帧，认知簇内的所有节点都进行一次独立的频谱感知。

在步骤201，在第N(N是自然数)个超帧的感知帧中，所有普通节点在感知期内进行频谱感知，然后在步骤202，所有普通节点在感知数据期内上传各自的剩余能量和感知到的信道能量(频谱感知结果)。

在步骤203，簇头节点根据上传的频谱感知结果和剩余能量，利用节点选择算法(稍后将详细描述)选择所有普通节点中的一部分节点，并在步骤204通过信标告知这些选择的普通节点。

在步骤206，在随后的第N+1个超帧的感知帧中，被选择的普通节点在感知期内进行频谱感知，然后在步骤207，在感知数据期内上传各自的频谱感知结果。而没被选择的节点在感知期内保持静默(步骤230)。

在步骤208，簇头节点根据某种融合规则(如逻辑或OR规则，逻辑与AND规则或多数Majority规则)对上传的频谱感知结果进行融合，做出总的频谱判决，并通过信标把频谱判决信息广播给所有普通节点。

在步骤231，所有节点在接收到该频谱判决信息之后，选择是继续工作在该频段还是选择另一个频段。

接着，在随后的第N+2，N+3...N+m-1个超帧内，重复步骤206-208和步骤230。

在步骤209，当达到第N+m个超帧时，返回到步骤201，认知簇中的当前节点重新开始上述流程。

下面具体描述上述流程中使用的节点选择算法。

可以通过多种算法选择节点，利用模糊逻辑、排序加权算子等。在本实施例中，利用简单的排序加权算子进行选择，具体算法如下。

假设在所有簇内节点进行独立的频谱感知时，总节点数为N，节点i的剩余能量为P_i，感知到工作信道内的能量为S_i，首先将P_i和S_i归一化处理，即

$P_i^{\′}=P_i/\max \left(P_i\right)$ i＝1，2...N

$S_i^{\′}=S_i/\max \left(S_i\right)$ i＝1，2...N

然后将每个节点归一化后的和按从大到小的顺序排序，得到向量x_i＝[x_i1，x_i2]，其中 $x_{i1}=\max (P_i^{\′},S_i^{\′}),$ $x_{i2}=\min (P_i^{\′},S_i^{\′})$

选择合适的权重向量w＝[w₁，w₂]，w₁+w₂＝1。对于不同的应用场景可以选择不同的权重，比如在着重考虑节能的场景中选择w₁较大，而在着重考虑感知性能的场景中选择较大的w₂。接着，计算加权之后的排序加权算子值

$F_i=w_1*x_{i1}+w_2*x_{i2}=\underset{j=1}{\overset{2}{\mathrm{\Σ}}}{w}_j{x}_{\mathrm{ij}}=W^{T}x$

最后，根据每个节点的排序加权算子值对节点进行排序，选择算子值较大的多个节点作为在随后的部分节点频谱感知过程中使用的节点。

发明的效果

对上述部分协作频谱感知方法的感知性能进行了仿真，假设认知网络中共有10个具有认知功能的节点，这些节点中接收到的主网络系统用户信号服从高斯分布，信息的融合分别采取逻辑或规则、逻辑与规则或多数规则。图5-7分别示出了逻辑与、逻辑或和多数融合规则下本发明的部分协作频谱感知方法和传统协作频谱感知的感知性能仿真结果，其中，用于比较的传统协作感知方法利用全部10个节点的频谱感知结果进行融合，而在本发明的部分协作感知方法中只选择3个节点来做频谱感知。如图5，6，7所示，分别比较在不同的平均信噪比下两种感知方法的协作感知性能，可以看出，在逻辑与规则下部分协作感知性能远优于传统协作感知方法，而在逻辑或规则下部分协作感知的检测概率和传统协作感知的检测概率基本接近，而虚警概率则远优于传统协作感知，在多数规则下部分协作感知的检测概率优于传统协作感知。

从仿真结果可以看出部分协作感知与传统协作感知相比感知性能接近，但本发明的部分协作频谱感知方法具有的优点在于，由于减少了参与感知的节点数，因此节省了感知上的能耗，并且减少了传输的感知消息，从而减少了网络负荷，提高了数据的传输效率。该方法具有较低的处理复杂度，计算速度快，而且方法简单、易于工程实现。此外，没有认知功能的节点设备也可以通过监听认知网络的信标消息来获得频谱的占用情况信息，从而更适合于认知网络的广泛推广。

Claims (17)

1.一种部分协作频谱感知方法，包括以下步骤：

认知簇中具有感知功能的感知节点执行频谱感知，并上传频谱感知结果和状态信息给簇头节点；

簇头节点从认知簇的所有感知节点中选择部分感知节点并告知所选感知节点再次执行频谱感知；

所选感知节点再次执行频谱感知，并向簇头节点上传感知结果；以及

簇头节点利用所选感知节点上传的感知结果得到频谱判决信息。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，还包括步骤：簇头节点通过超帧中的信标把频谱判决信息广播给认知簇中的所有节点。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，感知节点在超帧的感知帧内进行感知和上传。

4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，感知帧包括感知期和感知数据期，感知节点在感知期内进行感知，并在感知数据期内进行上传。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，簇头节点利用节点选择算法选择部分感知节点，节点选择算法包括模糊逻辑或排序加权算子。

6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，簇头节点通过超帧中的信标告知所选感知节点再次执行频谱感知。

7.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所选感知节点在之前执行感知所用超帧的下一超帧中的感知帧所包含的感知期内再次执行频谱感知，并在相应的感知数据期内进行上传。

8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，簇头节点利用感知结果包括：根据融合规则融合感知结果，

其中，融合规则包括逻辑或OR规则、逻辑与AND规则或多数Majority规则。

9.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，超帧还包括簇间交互期，用于在相邻的认知簇之间交互簇内信息。

10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，感知帧紧接在超帧的超帧前导之后，簇间交互期位于超帧的末尾。

11.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，感知节点进行感知的方法包括能量检测、匹配滤波器或循环平稳特征检测。

12.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，感知结果包括感知节点与主系统设备之间的信道状况，状态信息包括感知节点的剩余能量。

13.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，频谱判决信息包括频谱的占用情况信息和可用信道列表信息。

14.根据权利要求13所述的方法，其特征在于，所有节点中的每一个根据频谱判决信息判断是继续工作在当前工作信道还是选择另一工作信道。

15.根据权利要求14所述的方法，其特征在于，如果频谱判决信息指示节点的当前工作信道被占用，则所述节点重新选择可用的空闲信道作为工作信道。

16.根据权利要求15所述的方法，其特征在于，节点根据信道的干扰情况、信道的传播特性和/或信道的连续可用性来选择可用的空闲信道。

17.一种部分协作频谱感知系统，包括认知簇，所述认知簇包括感知节点和簇头节点，其中

认知簇中具有感知功能的感知节点执行频谱感知，并上传频谱感知结果和状态信息给簇头节点；

簇头节点从认知簇的所有感知节点中选择部分感知节点并告知所选感知节点再次执行频谱感知；

所选感知节点再次执行频谱感知，并向簇头节点上传感知结果；以及

簇头节点利用所选感知节点上传的感知结果得到频谱判决信息。